新能源电动汽车关键技术发展现状与趋势

王旭

新能源电动汽车关键技术发展现状与趋势

王旭

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

随着技术的发展，新能源汽车越来越被大众认可，文章论述了新能源汽车的概念与发展现状，阐述了插电式混合动力汽车、燃料电池汽车存在的问题，并分别介绍新能源汽车的关键部件，驱动电机、电池、电池管理系统的发展概况，并且展望了未来的发展趋势，其生产工艺与效率必将大大提升。

新能源汽车；混合动力；氢燃料

引言

随着技术的发展，新能源汽车逐渐被大众所接受，但是其关键技术也待于突破，国内外均制定了发展计划，本人对前人研究进行总结，并且提出自己对未来发展的看法。

1 新能源汽车的概念与发展现状

1.1 新能源电动汽车概念

新能源汽车是指除利用传统汽油、柴油等化石燃料提供动力的汽车。按照中华人民共和国国家发展与改革委员会公告定义，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车[1]。

新能源汽车包括四大类型，混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。

1.2 新能源电动汽车的发展现状

1.2.1新能源汽车较传统燃油车的优点

1.2.1.1 更节能环保、排放低，经济性好

新能源汽车多采用纯电动或者混合动力、还有燃料电池系统为汽车提供动力。纯电动与燃料电池汽车零排放，其污染极低，符合我国民保护环境的理念，混合动力汽车只有在加速、爬坡、电池电量不足的情况下，发动机参与工作，其也大大减少尾气的排放，电能的价格更低，经济性更优。

1.2.1.2 运行平稳、噪声低、舒适性好、传动系效率高

新能源汽车采用电动机直接驱动汽车，在怠速、或者等交通信号灯的情况下，一些汽车应用自动启停技术，控制发动机熄火，既降低排放，又减弱噪声，启动工况时，电机经电池直接供电，其噪声极低，提高乘坐舒适性，并且传动更加高效。

1.2.2目前存在的问题

1.2.2.1 插电式混合动力充电问题

目前我国除大中心城市外，大多城市充电设施不完善，这也从某种程度上制约的新能源汽车的发展，其续驶里程短，并且由于电池技术待于突破，充电速度也受到限制。

1.2.2.2 电池更换、维修成本，安全问题

在新能源汽车整体结构设计中，电池是重中之重，其价值也占汽车的很大比重，在新能源汽车运行一定年限后，其电池效率下降，其更换成本较高。由于电池内部容易在汽车运行过程中受到多方面的影响，如温度、压力、内部结构发生形变等因素，电池可能发生泄漏，自燃等事故，新能源汽车在于不可控因素可能导致重大安全问题。

1.2.2.3 燃料电池汽车

燃料电池汽车其利用化学反应，产物为水，无污染，并且续驶里程相较于电动汽车有较大提升，能满足较大的路程的需求，我国目前燃料电池汽车应用较少，但随着技术发展，其有着强大的市场需求。燃料电池商用车方面，中国部分车企目前已进入量产阶段，在国家相关政策及行业的不断推动下，中国燃料电池商用车2020-2025年将进入区域成熟阶段，2025-2030年将进入爆发式增长阶段。燃料电池乘用车方面，预计2020-2025年将会进入阶段量产阶段，预计2025年中国燃料电池商用车产量将达到30000辆，2025年后将进入规模化发展阶段[2]。

图1 我国氢能生产与消费格局

2 新能源汽车关键技术

2.1 驱动电机技术

2.1.1电机主要类型

直流电动机：是较早应用在电动汽车上的驱动电机，技术比较成熟，其转速较低，有着复杂的机械结构，控制比较容易。调速范围广，早期应用较广。

交流异步电机：其结构更为简单，运行可靠，耐用，工作效率比直流电动机高，因为它的高工作效率、高速运行性能优越，交流异步电机在较大功率电动汽车上得到广泛应用。

图2 OFweek产业研究院预测

永磁式电动机：分为无刷直流电机与永磁同步电机，这两种电机在结构和工作原理上大体相同，转子都是永磁体，减少了励磁所带来的损耗，定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩，所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构，工作时不会产生换向火花，运行安全可靠，维修方便，能量利用率较高。同时，转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下，会产生磁性衰退的现象，所以在相对复杂的工作条件下，永磁式电机容易发生损坏。而且永磁材料价格较高，因此整个电机及其控制系统成本较高。[3]

开关磁阻电机：作为一种新型电机，相比其他类型的驱动电机而言，开关磁阻电机的结构最为简单，定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，转子上没有绕组，定子装有简单的集中绕组，具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。而且它具有直流调速系统的可控性好的优良特性，同时适用于恶劣环境，非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。[4]

2.1.2驱动电机未来发展趋势

新能源汽车驱动电机小型化、轻量化趋势，近年来将电动汽车驱动系统一体化研究进步很大，将驱动电机，逆变器，减速器集成化，可以降低成本，实现小型化、轻量化。

智能化，随着单片机微型处理器的发展，对电机的智能化控制越来越强，各种算法也可以得到应用，电机的工作性能可以得到更好地发挥。可以拥有自我更新、自我适应等功能。

驱动电机是新能源汽车的核心部件，随着汽车对动力的要求越大，电机的发展应着重于高速度、高效率、低噪声、低成本，提升电机的转矩和功率密度。将驱动电机与减速器直接集成为模块化，可降低重量、体积，又可以提升电驱动的NVH水平。

对电机的控制器进行集成化设计，与多种控制器的功能集成，会提成电机的工作效率、功率密度。

2.2 电池技术

电池是电动汽车的动力来源，它的性能直接决定着汽车的动力性与续驶里程。

2.2.1电池的发展现状

汽车动力电池大体可分为三种，镍氢电池、铅酸电池、锂离子蓄电池，镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，多数用于混合动力车型；铅酸电池是一种电极主要有铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池；锂离子蓄电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，是当今主流的新能源汽车动力电池的主要类型。钴酸锂电池是运用最早的锂电池，容量密度大，但是安全性、稳定性较差，在电子产品领域应用较多，因为其安全稳定性差，不太适合大多数新能源汽车，但是因为其超强的续航能力，也得到的一些企业的应用。磷酸铁锂电池在国内新能源汽车运用广泛，它的最大优势在于安全稳定性和寿命，其超越大多数锂电池，但是比较低的能量密度，续驶里程低限制了它的应用。

2.2.2动力电池发展趋势

通过电池界面基因组（BIG）－材料加速平台（MAP）计划等，采用人工智能（AI）大幅度减少电池材料的开发周期。加速电池新材料和新化学体系的开发过程。

开发新型传感器，将其嵌入电池包中，实时监控电池的温度、压力等健康状态，提升其安全性，采用可自动愈合的材料等，提升电池恢复能力，延缓电池容量衰减的速度，提升其续驶里程，延长使用寿命。这样可以整合开发各种传感技术在电池中以实时传递信息（如温度、压力，应变，电解质成分，电机膨胀度，热流变化等）[5]。

2.3 电池管理系统

2.3.1电池管理系统的作用

电池管理系统是动力电池与新能源汽车连接起来的途径，电池通过电池管理系统的有效管理，可以在高效区间工作，并且保证安全性。其可以准确地估算SOC值，避免电池出现过充过放现象，保护电池，能够准确地测算荷电状态。

动态监测电池的状态，在电池整个生命周期中，对每一块单体电池的温度、电流、电压进行监控，实时测量，及时将信息传递给ECU，保证整组电池运行的可靠性、安全性。

单体电池间的均衡，在电池充电状态，可以将各个单体电池的电量保持一致，使其达到平衡，避免过充。

2.3.2电池管理系统发展趋势

电池管理系统的SOC估算是非常重要的一个环节，其值的准确性保证了电池的安全性，避免过充过放，SOC、SOH、SOP的估算精度是未来发展的技术重点，对提升电池的性能至关重要[6]。

主动均衡技术，目前应用的多是被动均衡技术，虽然它的成本偏低，但是效果不是很好，随着研究的深入，主动均衡技术会逐步占领制高点。

电池管理系统自诊断，BMS需要对自身进行良好的自检，有效地预防故障的出现，及时报错，当电池出现故障时，能准确的确定原因、位置，进行防控。

3 结语

首先介绍了新能源汽车的概念，比较与传统燃油车的优点，阐述了我国氢燃料电池汽车有着广阔的发展前景，系统总结了目前电动机、电池等关键技术的发展现状，并提出自己对未来发展的观点。

[1] 吕纯池.新能源电动汽车核心技术发展现状与趋势综述[J].科技与创新,2020,17:80-81.

[2] OFweek产业研究院《2020年中国氢燃料电池汽车市场分析报告》[EB/OL]. (2020-01-20). http:// research.ofweek. com/2018-05/RET- 10658.html.

[3] 刘世哲.四相8/6极开关磁阻电机调速系统设计及优化[D].石家庄:河北科技大学电气工程学院,2016.

[4] 刘世哲.四相8/6极开关磁阻电机调速系统设计及优化[D].石家庄:河北科技大学电气工程学院,2016.

[5] 详解欧洲2030年电池计划[EB/OL].(2020-03-09).https://mp.weixin. qq.com/s/9X-S-08s7wwUBKGuDMAyIg.

[6] 汽车学堂.电池管理系统关键技术与发展趋势.[EB/OL].（2019-01- 28).https//mp.weixin.qq.com/s?Src=11×tamp=1600154398&ver=2585&signature=HHU8vil3uzCstd1NBHvImK8MO2kIoYgKPVv-8oG3ARfUJ2m5LXAFH2-WVX*TeTNH79*PmjbZKAj8jwHSz4ue*z3bLFndYpdnn3QM9q4wtbIIhbgCpDBbydFGW5lenX&new=1.

Development Status and Trend of Key Technologies of New Energy Electric Vehicles

Wang Xu

( School of Automotive and Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

With the development of technology, new energy vehicles are more and more recognized by the public. This paper discusses the concept and development status of new energy vehicles, expounds the problems existing in plug-in hybrid vehicles and fuel cell vehicles, and introduces the development situation of key components of new energy vehicles, such as drive motor, battery and battery management system, and looks forward to the future development trend, whose production process and efficiency will be greatly improved.

New energy vehicle; Hybrid power; Hydrogen fuel

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.005

U469.7

A

1671-7988(2021)07-13-03

U469.7

A

1671-7988(2021)07-13-03

王旭，硕士研究生，就读于辽宁工业大学汽车与交通工程学院，主要研究方向：新能源汽车驱动与驱动控制技术。